發(fā)布日期：2016-12-09
兩周前東人博士受到TEDxZhuhai公益演講活動(dòng)的邀請(qǐng)，向大家介紹外骨骼機(jī)器人，主要內(nèi)容如下：
什么是外骨骼？
跳蚤、螞蟻這些小生物擁有著非凡的跳躍、舉重能力，很大程度上是因?yàn)樗鼈儞碛型夤趋肋@一共同特征。外骨骼就是一種能夠?qū)?dòng)物柔軟內(nèi)部器官起到構(gòu)型、支撐和保護(hù)作用，并介導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的堅(jiān)硬的外部結(jié)構(gòu)，一般把節(jié)肢動(dòng)物體表堅(jiān)硬的幾丁質(zhì)的外殼稱為外骨骼。
外骨骼有什么作用呢？
假如人類擁有外骨骼，就能夠在自然災(zāi)害救援中為救援人員提供更大的力量，能夠輕松舉起斷壁殘?jiān)?，拯救更多生命?/p>
外骨骼能夠增強(qiáng)老年人的運(yùn)動(dòng)能力，防止老人因?yàn)榛顒?dòng)減少而導(dǎo)致身體機(jī)能下降，為老年人帶來出行便利，提高生活質(zhì)量；
外骨骼能夠幫助截癱患者重新站立行走；
在戰(zhàn)場(chǎng)上，外骨骼能夠幫助士兵減輕負(fù)重，外骨骼鎧甲可以抵御槍彈的傷害；
在工業(yè)生產(chǎn)方面，外骨骼還能夠在人進(jìn)行大體力勞動(dòng)時(shí)減輕身體負(fù)重，節(jié)省體力，減少疲勞性損傷，提高勞動(dòng)效率……
什么樣的外骨骼是優(yōu)秀的外骨骼？力拔山河，舉重若輕，便捷舒適，機(jī)智如我。外骨骼的研發(fā)過程中需要攻克哪些難關(guān)？
如何實(shí)現(xiàn)更好的人機(jī)互動(dòng)？讓外骨骼更好地理解用戶的運(yùn)動(dòng)意圖，并且做出正確的反饋。同時(shí)也要適應(yīng)外部環(huán)境并做出合理反應(yīng)。
如何承受并傳導(dǎo)更大的重量？突破人類基因限制，延伸人類的力量極限，使輸出的力量成倍放大。
如何保證力量的耐久性？需要我們?cè)谀芰抗?yīng)方面努力，發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)和充電技術(shù)，優(yōu)化電源管理。
如何實(shí)現(xiàn)穿戴外骨骼時(shí)舒適和輕便？既要讓硬質(zhì)的機(jī)器人表面和柔軟的人類皮膚相貼附，讓人在穿戴過程中感覺到舒適安全，還要外骨骼更好地響應(yīng)和配合人體的運(yùn)動(dòng)。
附演講全文：
大家下午好。
跳蚤，一種非常微小而不起眼的小動(dòng)物，但是，它擁有非凡的跳躍能力，輕輕一躍就可以跳出身高200倍的高度。
如果我們?nèi)祟悡碛型瑯拥奶S能力，我們隨隨便便一跳便可以越過324米高的埃菲爾鐵塔。
但是目前我們?nèi)祟惖奶S極限是古巴跳高名將索托馬約爾保持的2.45米。
螞蟻，另一種非常微小而不起眼的小動(dòng)物，但是，它擁有非凡的舉重能力和拖拽能力，它可以舉起自身體重60倍的物體，或者拖動(dòng)自身體重1700倍的物體。
試想如果我們也有這樣的力量，會(huì)是一個(gè)什么樣的場(chǎng)景呢？我們至少可以舉起一頭4噸大象，或者拖動(dòng)一條120噸重的藍(lán)鯨。
在這些小動(dòng)物面前，我們?nèi)祟惖倪\(yùn)動(dòng)能力和力量顯得如此渺小，不值一提，太弱了，是吧？
所以我們會(huì)不斷挑戰(zhàn)和超越自我，努力趕上這些小動(dòng)物。
可是我們發(fā)現(xiàn)，無論我們練得多么苦，把胳膊練得和我腿一樣粗的情況下距離舉起大象仍然很遠(yuǎn)。
因此，這些小動(dòng)物非凡的地梁讓我們羨慕不已。
那么大家有沒有發(fā)現(xiàn)，這些擁有人類望塵莫及天賦的不起眼的小生命，都有一個(gè)共同特征：
那就是都具有一層堅(jiān)硬的外殼，都身披盔甲，他們都是外骨骼動(dòng)物。
通常來說，外骨骼是指，一種能夠?qū)?dòng)物柔軟內(nèi)部器官起到構(gòu)型、支撐和保護(hù)作用，并能介導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的堅(jiān)硬的外部結(jié)構(gòu)，一般是把節(jié)肢動(dòng)物體表堅(jiān)硬的幾丁質(zhì)的外殼稱為外骨骼。
作為一名骨科醫(yī)生，我可以很負(fù)責(zé)任地告訴大家，通俗的理解，包裹在肉外面的骨骼就是外骨骼。
天然的外骨骼具有支撐重量、介導(dǎo)運(yùn)動(dòng)、保護(hù)肉體、塑造外形的功能，更重要的，通過這身外骨骼系統(tǒng)，可以給生物體提供強(qiáng)大的力量。
有時(shí)候我也在想，我要是也能有這樣一套外骨骼，那么我就能輕松舉起大象、跳過埃菲爾鐵塔，想想都覺得很酷，是吧？
其實(shí)，不止是我，五百多年前我們的先賢就已經(jīng)有這樣的想法了。
比如達(dá)芬奇，16世紀(jì)歐洲文藝復(fù)興時(shí)期著名的天才科學(xué)家、發(fā)明家、藝術(shù)家。大多數(shù)人了解達(dá)芬奇是通過《蒙娜麗莎》和《最后的晚餐》。其實(shí)，除了繪畫，達(dá)芬奇在機(jī)械工程領(lǐng)域同樣有著卓越的成就。他設(shè)計(jì)了很多著名的機(jī)構(gòu)，比如直升飛機(jī)、自動(dòng)變速箱、坦克、潛水艇等。
我不清楚達(dá)芬奇有沒有想過舉大象，但是，達(dá)芬奇應(yīng)該夢(mèng)想過有一套外骨骼，為此他還設(shè)計(jì)了人類歷史上第一個(gè)機(jī)器人雛形，可以通過齒輪、拉線以及傳動(dòng)桿傳動(dòng)。
達(dá)芬奇曾經(jīng)設(shè)計(jì)手稿復(fù)原的機(jī)器人，防御屬性好像還不錯(cuò)。許多學(xué)者相信，這就是一套給人類設(shè)計(jì)的外骨骼機(jī)器原型，也就是——外骨骼機(jī)器人。
達(dá)芬奇之后的幾百年來，我們一直在不斷追求這樣一身盔甲，穿上它，就如同有了動(dòng)物的外骨骼，可以幫助人類實(shí)現(xiàn)自身力量的巨大外延。
我也有這樣的夢(mèng)想，很幸運(yùn)，我遇到了一群也和達(dá)芬奇有同樣夢(mèng)想的小伙伴。
正應(yīng)了毛主席那句話：我們都是來自五湖四海，為了一個(gè)共同的目標(biāo)走到一起。
我們共同進(jìn)行外骨骼機(jī)器人核心技術(shù)的研發(fā)，我們夢(mèng)想著自己有一天真的能夠舉起大象、拖動(dòng)藍(lán)鯨、跳過埃菲爾鐵塔，甚至飛得更高、潛得更深、上天入地、無所不能。
那么，我們穿著外骨骼機(jī)器人，擁有這樣非凡的力量，這么酷炫，有什么用呢？難道真的就為了舉大象么？肯定不是，外骨骼機(jī)器人給了我們額外的力量源泉，在很多方面有著巨大的用途。
災(zāi)難救援，地震、塌方等自然災(zāi)害，受災(zāi)最嚴(yán)重的地方，大型機(jī)械救援設(shè)備往往進(jìn)不去，這時(shí)我們的救援人員如果有外骨骼機(jī)器人，就可以輕松搬開重物，就可以大大提高廢墟搜救的效率，就有能力和時(shí)間賽跑，可以從死神手里挽救更多人的生命。
隨著年齡的增長(zhǎng)，我們每個(gè)人都有衰老的那一天，都面臨著行動(dòng)能力的下降，無論是腦中風(fēng)引起半身不遂還是關(guān)節(jié)退變、帕金森，都會(huì)導(dǎo)致老年人行動(dòng)不便。人上了年紀(jì)一旦活動(dòng)減少，身體機(jī)能會(huì)迅速下降，各種疾病將隨之而來。如果有外骨骼機(jī)器人輔助行走，不但可以買菜遛彎兒，甚至可以遠(yuǎn)足旅游，可以大大提高老年人的生活質(zhì)量。
截癱患者，他們比誰都渴望能夠重新行走，外骨骼機(jī)器人就可以幫助他們實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想。
戰(zhàn)場(chǎng)上，外骨骼機(jī)器人可以極大減輕戰(zhàn)士單兵負(fù)重，保存體力，同時(shí)外骨骼盔甲還可以保護(hù)士兵避免槍彈傷害。
任何需要搬運(yùn)重物的體力工作，都可以通過穿上外骨骼機(jī)器人來助力，幫助人節(jié)省體力，保護(hù)身體免受疲勞損傷，同時(shí)還能提高工作效率。
還有等等等等很多領(lǐng)域，外骨骼機(jī)器人都可以發(fā)揮巨大作用。
那么，什么樣的外骨骼機(jī)器人才算一款好產(chǎn)品呢？我們認(rèn)為一個(gè)優(yōu)秀的外骨骼機(jī)器人需要具備以下氣質(zhì)：力拔山河、舉重若輕、舒適便捷、機(jī)智如我。
但是很可惜，目前還沒有任何一款成熟的外骨骼產(chǎn)品能夠達(dá)到這些要求，因?yàn)?hellip;…
理想是豐滿的，目標(biāo)是遠(yuǎn)大的，但現(xiàn)實(shí)工作還需要我們腳踏實(shí)地，踏實(shí)前行。飯要一口一口吃，路要一步一步走。要使我們的外骨骼機(jī)器人具備以上素質(zhì)，必須滿足以下技術(shù)條件。
首先就是要解決如何更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，讓外骨骼機(jī)器人懂你，讓外骨骼機(jī)器人更像我們自身的骨骼，能更好的領(lǐng)會(huì)使用者的意圖，不能出現(xiàn)，你想走的時(shí)候他不走，你想停的時(shí)候他不停，你想快的時(shí)候它偏要慢，你想慢的時(shí)候他又想加速，你想上樓它不抬腿，如果這樣就很尷尬了，機(jī)器人必須能很好的配合我們的運(yùn)動(dòng)。此外，外骨骼機(jī)器人還需感知外部環(huán)境的變化，不同地形、風(fēng)霜雨雪、溫度變化都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，它得能感知、能適應(yīng)。因此我們需要模擬人的神經(jīng)反射弧通路，采用多傳感器融合技術(shù)，形成一個(gè)控制閉環(huán)，比如使用壓力傳感器，慣性傳感器，肌肉電信號(hào)控制，腦電信號(hào)控制，運(yùn)動(dòng)大數(shù)據(jù)采集和分析建模以及通過新型控制理論和算法，結(jié)合人工智能的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)讓外骨骼機(jī)器人能夠理解甚至預(yù)測(cè)使用者的運(yùn)動(dòng)意圖，更好的配合人完成各種動(dòng)作。做到明明白白我的心。
人類自身力量的局限主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是肌肉絕對(duì)力量不夠強(qiáng)大，二是在肌肉在高強(qiáng)度用力的情況下維持不了多長(zhǎng)時(shí)間，這個(gè)和基因帶給我們的遺傳屬性相關(guān)，就是說我們生來注定就是這樣，無法改變。外骨骼機(jī)器人延伸了我們的力量極限，通過高速電機(jī)配合大減速比減速器的方案，可以是實(shí)現(xiàn)輸出力量成倍的放大，除了電機(jī)，我們還可以使用液壓推桿或者氣動(dòng)肌肉。此外，外骨骼機(jī)器人自身的剛性結(jié)構(gòu)決定它具有很好的應(yīng)力遮擋效應(yīng)，可天然承受并傳導(dǎo)巨大重量，保證我們?cè)谂e大象的時(shí)候不被壓扁。
至于如何提高力量的耐久性，我們主要在能量供應(yīng)方面努力，首先是儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，比如紙電池、石墨烯電池、鋁離子電池、釩電池等新型電池的使用，可以大大提升能量的供給量；其次是電源管理的優(yōu)化，通過優(yōu)秀的電源管理技術(shù)使得能量分配更合理、利用更高效、更充分；第三是充電技術(shù)的進(jìn)步，如快速充電技術(shù)（充電兩分鐘使用五小時(shí)，聽著就很爽），另外還在外骨骼運(yùn)動(dòng)的同時(shí)回收能量并進(jìn)行充電，還可以考慮薄膜太陽能充電等多種方式。
解決了以上問題，穿上外骨骼機(jī)器人基本就可以舉起大象了，但是，是不是這樣就夠了呢？還不夠。因?yàn)槲覀円淹夤趋罊C(jī)器人看成人體自身的一部分，要和我們?nèi)跒橐惑w，這就要求穿上外骨骼，除了有勁兒，還得舒服。
作為穿在身上和人配合的機(jī)器人，有一對(duì)先天矛盾的屬性，就是剛性和舒適性。硬質(zhì)的外骨骼可以增強(qiáng)人的力量，卻不容易與體表貼合。人體表面是柔軟曲面，如何解決貼合性十分重要。我想，無論是跳蚤還是螞蟻，螃蟹還是大蝦，他們都不會(huì)覺著自己的外骨骼沉重，累贅，甚至把某些重要器官卡的疼痛。我們追求的也是這樣的目標(biāo)，這需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，人體工程學(xué)，生物力學(xué)交叉融合，甚至服裝設(shè)計(jì)師的共同努力，同時(shí)還需要使用新型輕質(zhì)材料結(jié)合3d打印技術(shù)使外骨骼與人體更加貼附。此外，快速響應(yīng)和良好的人機(jī)協(xié)同也直接影響到穿著的舒適程度。響應(yīng)和協(xié)同速度過慢，人在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)明顯感覺到有額外的阻力，響應(yīng)和協(xié)同速度過快，又會(huì)給人增加額外的推力，運(yùn)動(dòng)時(shí)難以與自身重心相配合。因此，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的采集分析和數(shù)學(xué)建模至關(guān)重要，首先要知道人是怎么運(yùn)動(dòng)的，再去從模仿人的運(yùn)動(dòng)到預(yù)測(cè)人的運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)外骨骼機(jī)器人穿著的舒適性。
解決了這些關(guān)鍵技術(shù)問題，我們離實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想就非常非常近了。
今天的主題是2026，展望未來十年，我很難預(yù)想，十年后外骨骼機(jī)器人會(huì)發(fā)展到一個(gè)什么樣的程度？因?yàn)榻裉炜茖W(xué)發(fā)展的速度實(shí)在太快，但是可以預(yù)見的是，這樣的外骨骼機(jī)器人必將實(shí)現(xiàn)。
感謝漫威，為我們描繪了外骨骼機(jī)器人的一種極致狀態(tài)，這是就我們?yōu)橹畩^斗的明天。
來源：36Kr
